近日，南方科技大学机械与能源工程系副教授曾林团队及其合作者围绕水系锌离子电池（AZIBs）的综合性能提升展开深入研究，在AZIBs的电解液工程、凝胶电解质、锌负极和锌碘电池方向提出了一系列创新策略，并在关键技术领域取得了系列进展，相关论文在材料、能源领域高水平期刊Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Electrochemical Energy Reviews、Energy Storage Materials、Nano-Micro Letters、Advanced Functional Materials发表。

成果一：CuZn纳米合金颗粒和石墨烯涂层实现长寿命锌负极

研究团队针对AZIBs中锌负极普遍存在的枝晶生长、副反应与析氢等失效机制，围绕“界面调控—沉积引导—多功能保护”理念构建了一系列策略，并设计了石墨烯片包覆铜锌纳米颗粒（CZPG）结构，利用石墨烯的高导电性和丰富成核位点，结合CuZn纳米颗粒的强亲锌性与氢气析出抑制能力，形成双功能界面。CuZn合金的高脱锌电位与石墨烯导电网络协同作用，有效调控锌离子（Zn²⁺）的通量分布和沉积动力学，实现锌对称电池超过1,300h的稳定循环。该研究通过合金-石墨烯混合涂层的界面工程，为开发高性能水系锌离子电池提供了新思路，有望推动其在电网规模储能等领域的应用。该成果以“Synergistic Effects of CuZn Nanoparticles and Graphene for Advanced Zinc Anodes in Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表于Small。南方科技大学为论文第一单位，曾林团队科研助理吴秀婷为论文第一作者，曾林为通讯作者。

图2.合金&石墨烯涂层实现平整锌负极示意图

成果二：长达150,000次循环的高能量密度和高功率锌离子混合电容器

针对锌离子混合电容器（ZICs）能量密度和功率密度不足、储能机理复杂不清的问题，团队围绕“材料设计—模拟计算—机理探讨”提出了一系列研究策略，并面向能量密度、功率密度与超长寿命的协同提升，提出以水热耦合双盐激活策略制备1nm孔氧掺杂碳电极，最终实现了锌离子混合电容器具备135.5Wh kg-1的能量密度与24.00kW kg-1的功率密度，并在150,000次循环后容量不衰减的目标。本研究不仅深化了对ZICs碳基电极电荷存储机制的基础理解，还为多孔碳材料建立了明确的结构-性能关联，为合理设计具有高能量密度、高功率密度和超长循环寿命的下一代高性能ZICs提供了崭新思路。该成果以“Spatial Confinement Effect and Defect-Dominated Redox Reactions Enhance Energy and Power in Zn-Ion Capacitors with 150,000 cycles”为题发表于Advanced Energy Materials。南方科技大学为论文第一单位，南方科技大学硕士生胡恒源、博士生慕永彪和硕士生邹支宇为论文共同第一作者，南方科技大学韩美胜副教授、曾林和赵天寿院士为共同通讯作者。

图3.锌离子混合电容器正极优化策略示意图

成果三：±60℃宽温域锌离子电池凝胶电解质

在凝胶电解质方向，研究团队针对水系锌离子电池（AZIBs）在宽温域下循环的稳定性难题，通过分子调控解决了凝胶电解质传导差、接触差等问题。团队开发了多组分凝胶电解质，可在-60℃至60℃极端温区内实现超过1,500小时的稳定运行，并维持20mA cm-2的高电流密度。该研究为极端条件下的性能研究提供了参考。该成果以“Robust Piezoelectric-Derived Bilayer Solid Electrolyte Interphase for Zn Anodes Operating from−60 to 60°C”为题发表于ACS Nano。南方科技大学为论文第一单位，南方科技大学博士生慕永彪及硕士生周钰轲为论文第一作者，伦敦大学学院何冠杰教授、清华大学深圳国际研究生院周光敏教授、曾林为共同通讯作者。

图4.凝胶电解质工程成果示例。（a）传统电解液存在问题示意图。（b）凝胶电解液策略作用机理示意图。（c）宽温域凝胶制备及聚合物链结构示意图

成果四：共溶剂和添加剂协同实现低温长寿命锌离子电池

针对水系电解液易冻结难题，研究团队通过引入甲基磺酰胺-甘油的协同作用来重构氢键网络，从而促成(100)取向的锌阳极的形成，构建出锌锌对称电池。锌锌对称电池展现出卓越的循环稳定性，在1mA cm-2时可达到4,000小时，即使在-20°C的极端条件下，仍可维持超过5,400小时。这一设计显著拓宽了AZIBs的运行电流和温度的工作范围，有效提升了AZIBs的实用性和低温适应性，为水系电解液低温易冻结问题提供了有效的研究路径。该成果以“Decoding Hydrogen-Bond Network and Facet Engineering Synergy for Cryogenic Durable Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表于Nano-Micro Letters。南方科技大学为论文第一单位，曾林团队科研助理韦锡炎及桂林理工大学硕士生管锦鹏为论文第一作者，慕永彪博士、曾林以及桂林理工大学臧利敏教授、苏州大学孙靖宇教授为共同通讯作者。

图5.电解液工程示例。（a）天然高分子添加剂策略。（b）诱导锌取向沉积添加剂策略。（c）秋葵多糖添加剂助力低温锌离子电池。（d）氢键调控实现低温长寿命锌负极

该系列研究工作从材料、界面到系统集成等多个层面，系统攻克了水系锌离子电池在能量密度、循环稳定性及适用性方面的关键瓶颈，不仅为其工程化推广提供了扎实的理论依据与技术方案，也为加速构建以可再生能源为主体的新型电力系统、服务国家“双碳”战略目标贡献了重要的科研力量。

以上系列研究工作均得到了国家自然科学基金委面上项目、广东省基础与应用基础研究重大项目、深圳市自然科学基金重点项目，以及南方科技大学公共分析测试中心的大力支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202411263

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202504176

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c00178

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202500674

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829725000273?via%3Dihub

https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-025-01970-3

供稿：机械与能源工程系

通讯员：李新月

编辑：任奕霏